环式宽频调谐质量阻尼器仿真及应用

　　调谐质量阻尼器—TMD(Tuned Mass Damper)主要用于控制框架结构，支架系统，整台设备，高层建筑和海洋船舶的振动和噪声。TMD通常由一个线性弹簧、一个阻尼器和一个质量块组成，如图1所示。它的工作机制是通过弹簧调谐来吸收被控结构的振动，并通过阻尼作用损耗能量[1]。TMD阻尼作用的大小取决于TMD响应滞后于结构响应90°相差条件。结果由TMD传输的弹性力变成粘滞力作用于结构。这个条件只有当TMD频率被调谐到结构受控频率，而且外激励覆盖这个频率成分时才会发生[2]。因此，采用TMD吸振，通常只有在激励振动包含一个主要频率分量的情况下或者很窄的频带情况下。然而对于随机激励的多自由度系统来说，单纯应用TMD要达到减振的目的将是复杂和困难的。

　　传统的调谐质量阻尼器一般采用离散化的设计，针对某一阶固有频率或者较窄频率范围设计的TMD具有很好的减振效果。然而当激励在一个较宽的频率范围的时候，TMD的减振效果显著降低。如何拓宽TMD的控制振动的频率范围，本文提出了一种具有连续结构的宽频调谐质量阻尼器，环式宽频调谐质量阻尼器—RTMD(Ring-Model TunedMass Damper)。

　　1 RTMD的减振原理

　　环式调谐质量阻尼器—RTMD是由一个连续的质量环连接若干个大阻尼橡胶块组成，见图2。

　　传统的TMD一般都是离散型的结构，即单质量、单阻尼和单自由度，即使后来发展的多重调谐质量阻尼器—MTMD(Multi-Tuned Mass Damper),也只是将数量有限的TMD组合起来使用。MTMD本质上还是离散型的TMD。离散型的TMD只有当TMD频率被调谐到结构受控频率而且外激励覆盖这个频率成分时才会有较好的控制振动的效果。

　　我们知道对于连续型的结构，它的固有频率可以认为有无穷多个。任何处于连续结构的极限频率(最小频率和最大固有频率)之间的频率都可以看作是连续结构的激振频率。利用这一点，我们设计了一种连续型调谐质量阻尼。与设计离散型的TMD有所不同的是，我们设计的连续型TMD只对其自身的最小固有频率和最大固有频率作了一定的约束，使其覆盖被控结构的固有频率范围。考虑到控制效果，我们对TMD的质量大小和阻尼系数给了适当的约束。

　　2 环式宽频调谐质量阻尼器仿真应用

　　桥式五轴联动加工中心是一种高速、高精度机床。机床在高速运转的情况下，主轴系统上安装刀具部位处的振动对机床的加工精度有很大的影响。为了提高机床的精度，我们将RTMD安装到机床主轴系统靠近安装刀具的部位处。

　　仿真加工过程，在该主轴系统的加工部位同时施加沿X轴、Y轴、Z轴的简谐力，其大小为1000N，频率范围为0～1000Hz。对其进行仿真实验。图3和图4为安装了RTMD前后结构的模型。